水锤的防护.docx

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水锤的防护

水锤的定义

　　水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时,由于压力水流的惯性,产生水流冲击波,就象锤子敲打一样,所以叫水锤。

水流冲击波来回产生的力，有时会很大，从而破坏阀门和水泵。

　　“水锤效应”是指在水管内部，管内壁光滑，水流动自如。

当打开的阀门突然关闭，水流对阀门及管壁，主要是阀门会产生一个压力。

由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水利学当中的“水锤效应”，也就是正水锤。

在水利管道建设中都要考虑这一因素。

相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，也有一定的破坏力，但没有前者大。

　　电动水泵合电压起动时，在不到1s的时间内，即可从静止状态加速到额定转速，管道内的流量则从零增加到额定流量。

由于流体具有动量和一定程度的可压缩性，所以，流量的急剧变化将在管道内引起压强过压或过低的冲击，以及出现“空化”现象。

压力的冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一般，称为“水锤效应”。

　　水锤效应只和水本身的惯性有关系，和水泵没有关系。

水锤效应的危害

　　水锤效应有极大的破坏性：

压强过高，将引起管子的破裂，反之，压强过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件。

　　当切断电源而停机时，泵水系统的势能将克服电动机的惯性而命名系统急剧地停止，这也同样会引起压力的冲击和水锤效应。

　　为了消除水锤效应的严重后果，在管路中需要受到一系列缓冲措施和设备。

水锤消除器

　　水锤消除器能在无需阻止流体流动的情况下，有效地消除各类流体在传输系统可能产生的水外锤和浪涌发生的不规则水击波震荡，从而达到消除具有破坏性的冲击波，起到保护之目的。

　　水锤消除器的内部有一密闭的容气腔，下端为一活塞，当冲击波传入水锤消除器时，水击波作用于活塞上，活塞将往容气腔方向运动。

活塞运动的行程与容气腔内的气体压力、水击波大小有关，活塞在一定压力的气体和不规则水击双重作用下，做上下运动，形成一个动态的平衡，这样就有效地消除了不规则的水击波震荡。

水锤效应的利用

水锤泵站是利用水锤压力提水的泵站，适用于山区小流量高扬程供水，由水锤泵及相应的水工建筑物组成，为山区微型水力提灌泵站的一种新型式，通常也简称它为新式微型水力站或水力站。

水锤泵站可分为直流水锤泵站和交流水锤泵站两大类型。

目前大多数水锤泵站可归类为直流水锤泵站。

直流水锤泵站由微水力源、进水池、动力进水钢管（长管路）、控制阀门、直流水锤泵、扬水管、储用大池等组成。

　　直流水锤泵是一种液压水锤泵，直接采用水锤效应用来开发水的落差进行扬水的水力机械，其最大特点是不需要专门的动力机，不需要燃料和电力，在有适当落差水头的情况下可连续地运转扬水。

o简介：

远距离输水工程中易发生多处水柱分离并造成断流弥合水锤危害，在这种泵站管路设计中，应作全面的水锤电算分析并提出综合防护措施。

总结多年来的研究成果，论述了多处水柱分离与断流弥合水锤综合防护设计中的几个基本问题，着重阐述了多点固定完全断流型空腔数*.理模型的建立与运用，单向注水与注空气（缓冲）问题，多处单向注水电算源程序的编制，并详细地给出Z市远距离输水工程水锤与综合防护的设计实例。

o关键字：

远距离输水，水锤，水柱分离，断流弥合水锤，综合防护，电算程序，单向调压塔

∙0前言

∙　　我国丘陵地区较多，该区域远距离压力输水工程中管线长、流量大，管中流速一般较大，主干管线沿途起伏点多，多处小丘顶点标高有时比管线末端出口水面标高还高。

另外，近几年来，由于潜水泵、立式水泵机组的采用和电动机改进、改型，其转动惯量显著减小，因此，当发生水力过渡过程（如停泵水锤）时，在整个泵站管路系统中水压普遍剧降，不仅出现真空，而且导致多处发生水柱分离现象，随后可能产生具有破坏性的断流空腔再弥合水锤，国内外教训惨痛。

∙　　水柱分离与断流空腔再弥合水锤的含义及联系是：

在水力过渡（水锤）过程中，当管路中某处的压强降到当时水温的汽化压以下时，液态水将发生汽化，管流中水流的连续性遭到破坏，造成水柱分离（WaterColumnSeparation）并在该处形成水蒸汽空腔，它将连续的水柱截成两段。

当分离开的两水柱再重新弥合即空腔溃灭时，由于两股水柱间的剧烈碰撞会产生具有直接水锤特征的压力很高的断流空腔再弥合水锤，以下简称断流弥合水锤。

在管线长、地形起伏变化大以及相关技术因素的影响下，在一条管线上也可能同时发生多处（点）水柱分离现象。

如果水柱分离发生在紧靠水泵出口处，其断流弥合水锤危害更大--水淹泵房。

由于断流弥合水锤在机理上与传统的关阀水锤和停泵水锤有所区别，所以设置于泵站处的大多数停泵水锤防护设备（如水锤消除器、缓闭止回阀和阀门控制等）均收效甚微，甚至无效。

∙　　经笔者长期研究，水柱分离与断流弥合水锤的危害程度，主要与系统的稳态初速V0、管流的停断速率、管线总长度与布线形式等有关。

一般说来，断流空腔长度越长，则两股水柱相撞时引起的水锤升压亦高；水柱分离点下游侧所受背压越大，弥合水锤升压亦高。

反之，如果水柱分离点下游侧所受背压很小或为负值，则两水柱将不再弥合，即断流弥合水锤不会发生。

∙　　发达国家对泵站管路水锤（特别是水柱分离与断流弥合水锤）的防护问题十分重视，在工程设计的各阶段中必须有相应深度的水锤危害预测及水锤防护设计的部分。

国际水力研究协会（IAHR）为推动、交流总结伴有水柱分离的水力过渡过程方面的研究，于1971年专门成立了工作组，并于1978年转为IAHR下设的办事组。

该组工作很有成效，于2000年四月发表了该领域的长达780页的综合报告书。

国际金融机构（如世界银行和亚洲银行等）在评估受贷款的输水工程项目的整个过程中，要求必须提交水锤分析、危害预测以及水锤防护等方面的设计研究报告书，否则不予评估。

在该报告书中必须有：

（1）用特征线法对整个水锤过程进行计算机动态模拟；

（2）电算源程序和计算机的打印成果；（3）在各丘陵顶端（NumerousHillsummits）产生水柱分离可能性的分析与结论；（4）如发生水柱分离，应详细描述其发生、扩展、溃灭过程以及防护设计等。

∙　　近年来，笔者们承担了国内数项伴有多处水柱分离与断流弥合水锤的泵管路系统水锤分析与防护的设计研究工作，我们愿将这些点滴体会公开发表，供同行和专家们探讨、指正，并给出Z市远距离输水工程水锤分析与防护的设计要点与主要成果，供参用。

∙1多处水柱分离与断流弥合水锤综合防护设计基本问题

∙　　1.1水锤综合防护设计的指导思想

∙　　1.1.1水锤综合防护设计的主要内容

∙　　事故停泵水锤综合防护的主要内容应包括以下几个方面：

一、防止最大水锤压力对压力管道及管道附件的破坏；二、防止压力管道内水柱断裂（分裂）或出现不允许的负压；三、防止机组逆转造成水泵和电动机的破坏；四、防止流道内压力波动对水泵机组的破坏[1]。

本文主要针对第二方面问题讨论，即进行以减轻降压、消除真空和断流弥合水锤危害为重点的综合实用的水锤防护工作。

但主要研究的目标是建立在对设计对象--输水干线水锤全过程以及主要危害（极限危害条件TheMostCriticalConditionforAnalysis）形成机理的透彻而准确了解基础之上的。

为此，深刻理解各种水锤（特别是断流弥合水锤）危害的作用机理至关重要。

∙　　1.1.2以预防为主，采用有重点的综合防护

∙　　断流弥合水锤防护工作是一项复杂的系统工程，它的各组成部分间应能协调地工作；综合采用各种防护措施的优点，水锤防护装置与设备有效地分布于整个输水系统中：

∙　　

（1）采用转动惯量大的水泵机组；在水泵压出口处进行阀门控制--以控制水泵出口处的压力振荡、水的倒流及水泵倒转；

∙

（2）在沿管线的重要高点和折点等处设置多座单向调压塔进行注水，以消除真空和水柱分离现象；

　　（3）在输水干线末端设置可控的末端阀（TerminalValve），当发生停泵水锤时，它的最佳关闭（过程）能使管线中的水压降落得到明显缓和。

　　1.2两种水柱分离现象--两种空腔的概念在泵站管路系统水力过渡过程中，实际上可能发生两种水柱分离现象：

一种是传统所说的当管路中某处压强降到汽化压强以下时因液态水汽化而造成的水柱分离，本文特定名为水柱分离（汽）或水柱分离（V）,它的产生是以管路非常密封为前提的；另一种是因管中出现真空，经各种空气阀（如注气阀、真空破坏阀、进排气阀等）吸入空气后而造成的水柱分离，本文特定名为水柱分离（空）或水柱分离（A）,它的产生是以管线上相应点处装有一定断面积（口径）的吸气口（进气口）为前提的。

笔者在试验研究中发现：

注气阀口径越大，空气腔内真空值越小，反之亦然；如果进气口径足够大，则空气腔内真空值HS≈0，即保持为一个大气压。

在实际的生产管线中由于正常运行及维修管理等各种非防水锤的原因必须装设各种空气阀（如空气释放阀、空气/真空阀，复合式空气阀等），因此，在水力过渡过程中产生水柱分离（空）的可能性并不比传统的水柱分离（汽）少。

尤应指出，经笔者长期观察研究，因水柱分离（空）而形成的充满空气的空腔长度常常比传统的以水蒸汽为主充填的空腔长度大得多，由此而造成的断流弥合水锤升压有时还比传统者高。

因此，在进行水锤分析与危害预测时必须进行两种水柱分离情况下的计算机动态模拟。

　　1.3多点固定完全断流型空腔数－理模型的建立和运用所谓完全断流型空腔是指能将连续水流（水柱）完全截断的集中型空腔，在水平（或准水平）管路中，是指露出管底的空腔。

经长期观察和研究：

在有压管路水力过渡过程中，真正能将连续水柱截断的正是这种完全断流型空腔（它与稳态或准稳态水－气两相流中的空穴不同），这时它发生于管线中以下诸固定特异点处：

水泵或阀门的出口处、管线中的驼峰和膝状升高点、丘陵顶端以及鱼背等处，这一客观事实就为本数－理模型的建立与应用提供可靠的物理与工程基础。

　　在笔者所承担的全部水锤分析与防护的设计研究工作中，对伴有两种水柱分离现象与断流弥合水锤的水力过渡过程，均应用了多点固定完全断流型空腔数－理模型进行处理。

该模型的内涵是结合前人的成就和自己所发现的新现象经概括分析后提出来的。

其要点如下：

（1）本模型仅适用于集中型的完全断流型空腔；

（2）不论何种水柱分离现象也不论在几处发生，它们都分别发生在管线上诸固定的（特异的）计算断面处；

　　（3）在装设特制进气阀或真空破坏阀的管段中，当某计算断面处出现真空时，因空气被吸入能产生水柱分离（空）现象；空气腔内压强保持为某一固定不变的真空值；

　　（4）在完全密封的管段中，当某计算断面处的压强降至汽化压或其以下时，水柱分离（汽）就发生了；蒸汽空腔内压强P保持不变且P≤PV（PV为汽化压）；

　　（5）两种断流空腔都能将连续水流（水柱）截断，这时水锤波只能在两空腔间水流连续的管段内以不变的初始（设计）波速进行传播、叠加和反射，一直到空腔消失时为止；

　　（6）水锤波在两种断流空腔（蒸汽腔或空气腔）边界处的反射，依下述条件确定：

在某断流空腔存在期间，其边界处的压强等于空腔内的压强；

　　（7）当空腔的计算长度小于或等于零时，即认为空腔溃灭并发生断流空腔再弥合水锤效应；

　　（8）同一条管线上各断流空腔的溃灭顺序由泵站管路系统本身的特性来决定并能由计算机算出后自动给出，不可能也不应人为地事先设定；

　　（9）对水力过渡过程中因气体释放而引起的水锤波速降低问题，则在水锤防护推荐方案确定后，在校核计算中利用降低波速的方法来宏观地（弥补）解决。

　　1.4单向注水与注空气（缓冲）问题向各断流空腔内单向注水或注空气（缓冲）都是消减多处断流弥合水锤危害很有效的方法：

在工程上，注水是利用单向调压塔（池）；注空气（缓冲）则利用专用（特制的）注气阀（不排气）。

　　采用单向注水工艺和措施时，注水的速率一定要大于或等于空腔体积增长的速率，以保证不出现残留空腔；塔容器的体（容）积一定要满足整个水锤全过程本空腔处多次注水水量之总需求；为了消除真空，塔中设计水面高程应足够地高（相对于管顶），这对保证注水流量也极有利。

　　单向注水法的主要优点是：

（1）能从根本上消除断流空腔，防止真空以及削减水锤压力峰值的效果很好；

（2）即使注水有所滞后，有一定残腔存在，但空腔总是缩短了，弥合水锤升压也有所降低；（3）单向调压塔要比普通调压塔低得多，在大型输水工程中使用比较经济，而且适应面广，工作可靠；（4）水锤过后，便于重新开泵送水等等。

它的缺点是：

（1）建造费用较大些；

（2）注水管上单向阀有时出故障，故应设两根注水管；（3）塔中水要注意防冻和防水质变坏；（4）要经常加强维护俾使止回阀动作及时等等。

　防水锤（消除真空）的专用注气阀是一种只进气不排气的阀门，颇类似于空气止回阀（逆止阀），有弹簧式和重锤式两种，国外称作真空释放阀（VacuumReleaseValve）或真空破坏阀（VacuumBreaker）。

这种阀的要领是当管中压强高于大气压时能及时自动关闭，不使注入的空气排出。

当分离开的两水柱再次相互接近时，闷在管线中的空气被压缩并对水锤升压起缓冲作用，从而降低了弥合水锤升压。

　　注空气（缓冲）法的主要优点是：

（1）防止真空及削峰效果都很好；

（2）构造比较简单，造价较低；（3）安装上比单向调压塔简单等等。

它的主要缺点是：

（1）由于注（吸）入大量空气，不排出而积存于干管中；水锤过后，排净既费时费事又不能急，这就给重新启泵送水带来极大的麻烦。

如果处理不当，将酿成大祸--产生启（开）泵水锤危害；

（2）依笔者多次用计算机核算：

因在一处水柱分合要多次发生，每次都要吸入空气而不排出，这样一来，管中空气越积越多，从而增加了排净的困难；（3）注意防冻；（4）要经常加强维修管理俾使阀组件及时动作等等。

可见，注空气（缓冲）法，在干管中空气（于水锤后）能很快自动排出的场合下采用比较有利。

另据文献2：

只有在安装注气阀处背压（静水压头）相当小时（如15~20m），空气缓冲才能使水锤升压有明显的下降。

　　远距离输水管线上必须设置众多的常规空气阀（复合式空气阀、空气/真空阀及空气释放阀），因此，工程上也有将复合式空气阀或空气/真空阀作为（防水锤）注气阀使用的。

但是此类空气阀是要排气或少量排气的；当管道中排完空气时，会产生水柱再弥合，同样会造成很高的升压[3]。

因此，美国AWWA空气阀标准委员会编制的应用手册中明确指出：

空气/真空阀在向大气中排气时，排气速度应保证气流通过空气阀产生的压差在2PSI（1.4m水柱）以内。

故空气/真空阀及复合式空气阀作为防水锤的注气阀使用时，还须增加抗撞击装置（Anti-SlamDevice）或调节排气装置（RegulatedExhaustDevice）,即使采用这些装置，排气压差也得控制在5PSI（3.5m水柱）以内。

国内也有采用这种设计：

在这些点处设置双空气阀，一大口径的空气/真空阀设于管道侧上45°，一小口径的带节流阀（Throttlingvalve）的空气释放阀设于管顶。

从这些方面来说，注气的方法并不比注水的方法经济很多。

为比较注水和注气两种方法的消锤技术效果，针对某具体工程进行电算，计算结果见表1[3]：

　　表1注水和注气法消锤技术效果比较表（水泵工作压力H0=79.2m）

方法

水泵最大逸转速度n逸

水泵最大倒流量q倒

管首1点处水头（m）

5点膝部处水头（m）

单向注水法

-1.18

-0.94

87.5m

88.5m

注气缓冲法（不排出）

-1.26

-0.94

98.7m

95.7m

注气法（排出）

-1.37

-1.42

187.5m

278.70m

　　由表1可见，从削峰的效果来看，注水法优于注气法；注气不排出，起缓冲作用优于注气后又顺利排出的方式；注气后随之又顺利排出，会使断流空腔再弥合水锤升压增大。

　　1.5多处单向注水消除多处水柱分离和断流弥合水锤危害的电算源程序的编制利用注空气（缓冲）法以消除一处水柱分离和断流弥合水锤危害的电算源程序已于1993年公开发表在《停泵水锤及其防护》[3]的程序二中；利用多处单向注水法消除多处水柱分离和断流弥合水锤危害的计算机动态模拟是远距离输水工程中水锤综合防护设计研究的核心部分，而电算源程序的编制则是其难点，国内外还未见公开的先例或类似报道。

笔者应用一处水柱分离电算源程序并结合Z市水锤防护设计实例，下面重点介绍多处单向注水电算源程序编制的关键--单向注水子程序的编制与调用问题。

　　程序编制主导思路与运作主线如下：

（1）将每一处水柱分离的电算源程序都改写成子程序的形式，有多少空腔即调用几次子程序；

（2）各子程序的总格局基本相同，不同之处主要在于子程序中是否含有本空腔上游侧某些内结点的计算；（3）计算机运算时，由管线末端NS点（NS=N+1）向着管首泵站（1点）方向进行，当主程序执行到计算网格的X点（断流空腔处）时，便自动调用子程序；（4）在工程操作上，单向注水要及时、流量足够，保证无残留空腔，因此，当X点处电算的腔长增量DLX<0（腔长开始缩小）时，令腔长LX=0，即认为：

该处空腔已消失（溃灭），并转入正常水锤计算；（5）当该子程序执行到本段最后一条语句（返回语句）时，便自动返回到主程序中向下继续运行。

如此反复，直到所有模拟单向注水的子程序全部执行完毕。

　　下面完整地给出Z市输水干线工程水锤综合防护设计多处单向注水电算源程序中2点处（即X=2，泵站处为1点）的单向注水子程序（不含任何内结点计算），以简单的BASIC语言为例：

　　1600REMSUB-V

（2）

　　1610CP=H

（1）+Q

（1）*（B-R*ABS（Q

（1）））

　　1613CM=H（3）-Q（3）*（B-R*ABS（Q（3）））

　　1615IFL1>0GOTO1640

　　1620L1=0

　　1625HP

（2）=0.5*（CP+CM）:

QP

（2）=（HP

（2）-CM）/B:

QR=QP

（2）

　　1630IFHP

（2）<=38.3GOTO1640

　　1635GOTO1660

　　1640HP

（2）=38.3

　　1645QR=（CP-HP

（2））/B

　　1650QP

（2）=（HP

（2）-CM）/B

　　1653DL1=0.5*DT*（QP

（2）+Q

（2）-Q1-QR）/AR

　　1655L1=L1+DL1

　　1657IFDL1<0THENL1=0:

HP

（2）=0.5*（CP+CM）:

QP

（2）=（HP

（2）-CM）/B:

QR=QP

（2）

　　1660RETURN

　　限于篇幅，程序中变量符号，参见文献3，仅着重解释如下变量：

　　L1--2点处空腔长度，m；

　　QR--计算时段末流进空腔的流量，m3/s；

　　DT--计算时段长Δt，s；

　　DL1--2点处腔长在计算时段Δt内的增量，m；

　　Q1--计算时段始流进空腔的流量，m3/s；

　　AR--主管断面积，m2。

　　多处单向注水计算机动态模拟电算的全部源程序不久将公开发表于《停泵水锤及其防护（增订版）》一书中。

　　1.6末端阀的作用及其关闭程序的优选

　　在管线末端设置末端阀，不仅对输水系统的启动运行和维修管理十分有利，更重要的是在发生停泵水锤时，关闭末端阀，一方面切断水流，防止管中水体放空；另一方面，在管道末端阀处产生升压波，向上游传播，与上游传来的降压波代数叠加，使管线中水压降落得到明显的缓和，从而达到防止或减轻水柱分离的目的。

但是，如果末端阀关闭过快，将在阀处产生很大的水锤升压，造成新的水锤破坏。

因此，末端阀的关闭程序应在水锤防护优选的电算过程中确定。

根据笔者的电算结果和经验，末端阀宜选择为可控制的两阶段关闭蝶阀。

该阀门先较快地关闭至某一角度（快关阶段），关闭行程的大部分，虽然关阀过程产生了管道升压，但由于蝶阀在大开度范围内，其开度系数的变化率很小，升压并不明显。

第二阶段以非常缓慢的速度关闭剩余的行程（慢关阶段），由于压力的升高与流速的变化成正比，慢关过程导致流速变化的增量减小，可把出水管道的压力升高限制在允许的范围之内。

相比之下，末端阀的快关时间比水泵出口控制阀的快关时间要长得多，甚至比其慢关时间还要长。

在可控蝶阀的调节范围内，快关、慢关的角度和时间有无穷多的组合，可以预先假定几种不同的关闭速度，进行计算分析，根据其压力升高，选定最优的关闭程序。

大量计算表明，对于蝶阀，选取快关角度为60°,慢关角度为30°是适宜的；末端阀的慢关时间越长越好，一般取5~7倍的快关时间为宜。

　　1.7各种校核计算的必要性与内容

　　泵管路系统水锤防护设计计算中，所推荐的防护措施是按正常运作的情况，即各种防护措施充分发挥其作用，优势互补，综合最佳。

但是，这些措施中如果某一个环节发生故障，就会对综合防护效果产生影响。

为了判定其影响的程度，校核性计算是很必要的；另外，依1.3.⑨，也应进行降低波速的校核性计算。

　　以推荐方案为基础的校核性计算至少应包括：

（1）水泵出口控制阀拒动作的校核计算。

发生停泵水锤时，水泵出口控制阀不能关闭，或不能按预定的程序关闭（拒动作），对这种情况进行校核计算，是极易理解的。

（2）末端阀拒动作的校核计算。

末端阀不能按预定的程序关闭（拒动作），这种情况实际中有可能发生，所以应对其进行模拟性校核计算。

　　（3）波速降低时的校核计算。

水锤分析计算时，水锤波速a是按管道中充实水柱情况下计算选用的。

在管路水锤过程中因气体释放能使水锤波速显著降低。

水锤波传播速度的降低，虽然能使水锤升、降压的绝对值减小，从而使系统中压力波动减弱；但是，对于远距离输水工程，会延缓在管线末端处产生的升压波向泵站方向传播，从而增加了管路中水柱分离的危险。

这两方面的相互影响是相当复杂的，只能通过实际核算，才能明确，所以，降低波速进行校核计算是必要的。

根据经验和参考文献[2]，可将波速选定约为推荐方案计算波速的一半进行校核。